Effet de la température sur les propriétés magnétiques des matériaux

La tendance actuelle en avionique est de se diriger vers des systèmes plus électriques comme pour d’autres dispositifs de transport, notamment pour le remplacement des équipements hydrauliques par des équipements électriques. Plusieurs raisons expliquent cette tendance : d’une part l’objectif principal est de réduire la masse globale de l’avion. De plus, les progrès de l’électronique de puissance associée aux actionneurs électriques permettent des conversions d’énergie électrique plus performantes. Ces moteurs offrent aussi une grande souplesse de contrôle. Dans la perspective d’un avion plus électrique, approximativement, un tiers des actionneurs sont désormais à énergie électrique.

Parmi ces actionneurs, ceux des freins d’avions sont soumis à des environnements sévères en particulier à des températures de l’ordre de 150 °C avec des fonctionnements intermittents à 200 °C. Le projet SEFORA (Smart EMA For Operations in Rough Atmospheres) réunit plusieurs partenaires industriels (Hispano Suiza, Messier-Bugatti, Sermat…) et académiques (SATIE, INRETS, SUPELEC, GREEN…) dans le cadre duquel s’inscrit cette thèse. Le but est de repousser les limites de température des « Smart Actuators » au niveau des électroniques et des actionneurs électromécaniques, en se focalisant sur leurs fiabilités à ces hautes températures. Les équipements ciblés dans le projet sont des actionneurs d’une puissance de l’ordre 2 KVA tels que les commandes de géométries variables optimisant le fonctionnement des réacteurs d’avions et les actionneurs de freins d’avions. Une autre application concernant la réalisation d’actionneurs électriques de l’ordre de 2 kVA pour la recherche pétrolière présente un objectif similaire de fonctionnement dans des conditions d’ambiante pouvant atteindre 200 °C.

Les actionneurs électriques doivent se conformer aux contraintes thermiques pour assurer et conserver un rendement optimum. Les matériaux magnétiques utilisés dans les tôles des machines électriques sont en particulier mis en jeux. En effet, les températures élevées causent des dégradations des propriétés magnétiques de ces matériaux. Le choix d’un matériau magnétique pour notre application doit être alors défini sur un critère à contrainte thermique tout en assurant de hautes performances magnétiques.

L’élévation de la température a pour conséquence d’accélérer le vieillissement de certaines parties de la machine sensibles à la température. Au-delà d’une température critique une augmentation de la température de 6 à 10 °C peut réduire de moitié la durée de vie d’une machine électrique. Une température élevée maintenue prolongée endommage le système d’isolation des enroulements. De plus, le point chaud est généralement atteint dans le bobinage ce qui accroît la défaillance des isolants électriques. Par conséquent, il est nécessaire de mettre en place des modèles décrivant finement le comportement thermique du bobinage et des matériaux magnétiques qui l’entourent. L’objectif est ensuite d’intégrer ces modèles dans des outils de conception des machines électriques et tenir compte du niveau d’échauffement de la machine. Cependant, les travaux réalisés sur la modélisation thermique des machines électriques ont montré que le bobinage présente des difficultés particulières. En effet, sa structure hétérogène composée de plusieurs matériaux complique la détermination de la valeur du point chaud. Sachant que la température maximale dépend principalement des conductivités thermiques des matériaux utilisés et de la structure de la machine, le recours aux techniques d’homogénéisation des propriétés thermiques du bobinage semble alors indispensable. En effet, l’homogénéisation permet de représenter l’ensemble des conducteurs par un seul matériau homogène équivalent afin de reproduire un comportement thermique similaire au cas réel du bobinage. Cette démarche est aussi suivie dans le but de développer des modèles thermiques analytiques facilement exploitables pour réduire le temps de calcul en comparaison des méthodes numériques tels que les éléments finis.

C’est dans ce contexte que le travail présenté dans ce mémoire vise à étudier le comportement thermique des machines électriques. Dans le cadre du projet SEFORA, le premier travail à fournir concerne une recherche bibliographique sur les propriétés thermiques des matériaux magnétiques. Le but est de cerner l’influence de la température sur les principales caractéristiques magnétiques des alliages ferromagnétiques utilisés dans la fabrication des tôles. Ceci doit permettre d’effectuer une synthèse sur les limites des matériaux ferromagnétiques en haute température afin de retenir les solutions adaptées à un fonctionnement dans ces conditions. Le thème principal de ce travail est de développer ensuite des modèles décrivant finement les comportements thermiques du bobinage et des matériaux magnétiques. Ces modèles basés sur les techniques d’homogénéisation permettent d’extraire un modèle thermique simple sous forme d’un circuit RC pour déterminer une température désirée, en particulier la température maximale.

Les machines électriques sont le siège de pertes massiques dans les circuits magnétiques et électriques. Des alliages magnétiques peuvent être alors utilisés dans le but de limiter ces pertes et les courants de Foucault en particulier. Le circuit magnétique est alors constitué d’alliages ferromagnétiques sous forme de tôles isolées. En effet, l’acier présentant une résistivité électrique très faible (10⁻⁷ Ω.m ), entraîne des pertes élevées en régime alternatif. L’objectif des alliages est d’accroître cette valeur tout en diminuant le moins possible l’aimantation à saturation. Le choix des alliages prend en compte les aspects techniques, mais également des considérations économiques [I.1]. Lors de la conception des machines électriques, tenir compte des contraintes thermiques s’avère primordial. En effet, les différents matériaux utilisés dans la machine doivent être adaptés aux températures prévues pour assurer un fonctionnement normal de la machine. Actuellement, les machines électriques doivent répondre à des exigences thermiques pour des applications à hautes températures. Cependant, l’élévation de la température cause des dégradations des propriétés magnétiques des matériaux ferromagnétiques. Par conséquent, le rendement optimum de la machine s’en trouve dégradé. Les sources de chaleur dans les circuits magnétiques dépendent des grandeurs magnétiques et que celles ci varient aussi en fonction de la température. L’évaluation précise de la température dans la machine permet alors une prédiction sur l’évolution du comportement magnétique des matériaux. L’objectif de ce chapitre bibliographique est de mettre en évidence l’influence de la température sur les propriétés magnétiques de certains alliages utilisés en particulier en électrotechnique.

Les applications pratiques des matériaux ferromagnétiques sont nombreuses en électrotechnique. Ils sont utilisés principalement dans les transformateurs, les machines électriques, les actionneurs (relais, contacteurs), les électroaimants… Les matériaux ferromagnétiques sont généralement divisés en deux classes : les matériaux doux et les matériaux durs :
– Les matériaux doux s’aimantent et se désaimantent facilement. Ils ont des cycles d’hystérésis très étroits et possèdent une grande perméabilité. Ils sont utilisés généralement pour réaliser des électroaimants ou des circuits magnétiques dans le but de canaliser le flux magnétique afin de maximaliser la conversion d’énergie (machines électriques, transformateurs).
– Les matériaux durs présentent des cycles d’hystérésis extrêmement larges, il s’agit des aimants permanents qui ne se désaimantent pas facilement (certains aimants peuvent se désaimanter). L’application principale correspond à la fabrication des aimants permanents qui sont utilisés dans les moteurs et les génératrices.